论文部分内容阅读
含能结构材料通过“动能侵彻”和“化学能释放”造成的二次毁伤可以实现对目标的高效毁伤。而现有的含能结构材料强度不够高且综合力学性能较差,作为结构件使用时无法满足复杂外力要求。高熵合金是近年材料领域的研究热点和前沿领域,而难熔高熵合金由于力学性能优异、比重大、良好化学活性和成分设计上的灵活性和适应性,是潜在的穿甲和高效毁伤材料。本文设计并采用真空电弧熔炼制备了HfZrTiTax（x=0.16、0.33、0.53、0.75、1.00和1.29）四元高熵合金(分别简记为Ta0.16、Ta0.33、Ta0.53、Ta0.75、Ta1.00和Ta1.29合金);采用XRD、光学显微镜、SEM和TEM等方法研究了Ta含量对组织结构的影响;采用准静态力学实验和分离式霍普金森杆实验研究了合金在较低及较高应变率下力学性能和变形断裂行为;采用弹道实验研究了合金在高速撞击下含能特性;特别是动态力学性能和弹道实验研究对于发展高效毁伤结构含能材料和新型穿甲材料有参考意义。Ta含量对HfZrTiTax合金的组织结构影响显著。铸态条件下,Ta0.16和Ta0.33合金为HCP+BCC双相,Ta0.53、Ta0.75、Ta1.00和Ta1.29合金为BCC单相,表明Ta在该体系中具有稳定BCC相的作用。Ta0.16合金形成由位错缠结和低密度位错片状组织组成的无规则网篮组织,Ta0.33合金在等轴晶界附近析出大量片状第二相;Ta0.53、Ta0.75、Ta1.00和Ta1.29合金形成BCC相等轴晶粒,并具有典型Spinodal分解组织形貌的编织调制组织,且随Ta含量增大,Spinodal分解组织的调幅波长减小,富Ta和贫Ta两相的元素组成差异增大。HfZrTiTax合金热稳定性不佳,退火后,Ta0.16和Ta0.33合金晶体结构无显著变化,而Ta0.53、Ta0.75、Ta1.00和Ta1.29合金从BCC单相转化为HCP+BCC双相,且Ta含量增加使BCC相体积分数逐渐超过HCP相并最终占据主导地位。准静态加载下,Ta0.16和Ta0.53合金具有高强度和良好塑性,其抗压强度分别为1394MPa和1314MPa;断裂变形率分别为10.6%和14.1%。Ta0.16合金的高强度来源于严重晶格畸变带来的固溶强化与位错缠结片状组织对位错运动的阻碍作用,良好塑性则来源于片状组织相互作用带来的协调变形;Ta0.53合金的高强度主要来源于固溶强化,良好塑性来自基体内大量亚晶界协调变形。在调幅分解强化作用下,Ta0.75、Ta1.00和Ta1.29合金的屈服强度依次上升,Ta1.29的屈服强度达到1835MPa。动态加载下,Ta0.16、Ta0.53和Ta0.75合金具有高强度和良好塑性,动态抗压强度分别为1723MPa、1658MPa和2021MPa;断裂变形率为12.4%、12.4%和8.8%。Ta0.75合金高强度和充足塑性优于目前报道的大多数钛合金、高熵合金、块体非晶和非晶复合材料;其强度接近现有常用高侵彻战斗部壳体材料。由于组成元素热导率低以及严重晶格畸变,合金的热导率较低,不利于动态塑性变形中热量的释放,合金易于发生热塑性失稳,且具有较高的绝热剪切敏感性。脆性合金基体碎裂程度和绝热剪切带条数远高于塑性较好的合金,显示前者具有更高的绝热剪切敏感性。由于晶界处第二相生成导致应力集中,脆性合金裂纹和绝热剪切带大多沿晶界生成和发展,且绝热剪切带频繁分叉和交织。韧性合金基体内存在一条主要绝热剪切带与裂纹相连,其分别通过无规则片状组织协调变形、亚晶界变形、晶粒碎化和滑移带的生成来协调塑性变形。高速撞击下,具有高理论燃烧热值的HfZrTiTax合金均与空气发生剧烈反应并释放大量能量;塑性越差、合金破碎越彻底,释放能量越剧烈。Ta0.75、Ta0.16和Ta0.53合金具有强度高、塑性好、绝热剪切敏感性低和高含能等优良特性,可以在撞击释能前保持结构稳定,有望制成高强含能结构壳体,替代传统的钢制战斗部壳体,显著增强导弹等打击武器的毁伤威力。而Ta1.29和Ta1.00合金具有强度高、密度高、高含能和绝热剪切敏感性高等特点,高速撞击时有利于产生自锐效应,提升穿甲能力,进而实现目标的高效毁伤。